Gastkommentar

Thilo Hofmann © Universität Wien
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Dossier

"Umweltgeowissenschaften: Von kleinsten Partikeln zu großen Fragen"

Gastkommentar

31.03.2015
  • Wien (Gastkommentar) - Welchen Einfluss hat menschliches Handeln auf die Boden- und Grundwasserqualität? Wie können wir unsere Wasserressourcen effektiv und nachhaltig bewirtschaften? Welche Rolle spielen Nanopartikel für die Verlagerung und Toxizität von Schadstoffen? Wie verhalten sich organische und anorganische Schadstoffe im Boden- und Grundwasser? Dies sind einige der Fragen die in den Umweltgeowissenschaften und in meiner Arbeitsgruppe untersucht werden. Ziel ist das Verständnis von Prozessen und Raten auf der Skala von wenigen Nanometern bis hin zu mehreren Kilometern. Neben Feldexperimenten versuchen wir diese Fragestellungen in exakt kontrollierten Laborstudien mit Hilfe modernster Hochleistungsanalytik und numerischen Computersimulationen zu beantworten.

  • Das Leben beruht auf Wasser. Daher wird die Erhaltung von Trinkwasser eine der großen Herausforderungen dieses Jahrhunderts werden. Neben quantitativen Problemen ist hierbei die Verschmutzung von Grundwasser ein Hauptthema. Quellen für Kontaminationen des Grundwassers können anorganischer, organischer oder biologischer Natur sein. Die Hydrogeologie, welche man als Teilgebiet der Umweltgeowissenschaften betrachten kann, bezieht alle Prozesse von der Grundwasserneubildung bis zum Austritt in Quellen, Flüssen und Ozeanen ein und beinhaltet den Abbau und das Verhalten von Schadstoffen und Spurenelementen in gesättigter und ungesättigter Zone. In Österreich sind weniger quantitative Fragen, sondern öfters Fragen der Grundwasserqualität im Vordergrund: Landwirtschaft, z.B. der Eintrag von Pestiziden und Dünger, seit neuerem auch Gärreste aus der Herstellung von Biotreibstoffen, sind wie Schadstoffbelastung aus der historischen industriellen Nutzung von Liegenschaften von Bedeutung: Stichwort Altlasten.

  • Im täglichen Leben sind wir häufig einer Vielzahl anorganischer und organischer Schadstoffe ausgesetzt. Verbindungen auf der Basis von Kohlenstoffen stellen die größte Schadstoffgruppe in der Umwelt dar. Verbindungen wie z.B. polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) oder Benzinzusatzstoffe sind in Gebieten, die vom Menschen beeinflusst werden, weit verbreitet. Die Verteilung organischer Schadstoffe im System Boden-Wasser-Luft beeinflusst die Bioverfügbarkeit unterschiedlich toxischer Schadstoffe für Organismen. Von besonderem Interesse sind die Prozesse Sorption sowie der biologische und abiotische Abbau, die die Menge oder Mobilität der Schadstoffe reduzieren. Die Analytik hat sich in den vergangenen Jahren rasant entwickelt, von der Quantifizierung von Einzelstoffen hin zur "non-target" Analytik, in welcher unspezifisch auf (alle) potenziell in einer Probe vorkommenden Stoffe untersucht wird, ohne diese im Eigentlichen vorher zu kennen. Die Herausforderung der kommenden Jahre wird die Bewertung dieser Vielzahl von Stoffen sein, von denen wir teilweise weder wissen, wie sie wirken, oder ob sie in den vorgefunden Spurenkonzentrationen (Nanogramm) überhaupt eine Umweltrelevanz haben.

  • Nanopartikel kommen in allen Umweltkompartimenten vor, ihre Rolle in natürlichen Prozessen ist aber bisher noch unzureichend verstanden. Diese Nanophasen bestehen aus natürlicher organischer Substanz (z.B. Huminstoffe, exopolymere Substanzen), sind Biopartikel (Viren, Bakterien incl. Pathogene), anorganische Partikel (Tone, Oxide oder Carbonate) durch Verschleiß, Verbrennung oder Korrosion entstandene Partikel oder technischen Ursprungs (Nanotechnologie). Sie überspannen einen weiten Größenbereich von etwa einem Nanometer bis zu einigen Mikrometern. Daraus ergibt sich, dass sich ein natürliches kolloidales System typischerweise aus einer Vielzahl unterschiedlicher Makromoleküle und Partikel zusammensetzt. Diese Heterogenität stellt hohe Anforderungen an die Analytik und die Untersuchungsstrategie, ist doch ein einzelnes Verfahren selten erfolgreich darin, ein solch komplexes System umfassend und korrekt zu beschreiben.

  • Technisch hergestellte Nanopartikel sind hingegen typischerweise sehr gut definiert, kommen jedoch nur in sehr geringen Konzentrationen vor, wodurch sie sehr schwer von den natürlichen Nanopartikeln zu unterscheiden sind. Nanopartikel sind in natürliche Prozesse wie die Bodenentwicklung und den Nährstoffkreislauf eingebunden, können jedoch auch als Transportvermittler für Schadstoffe wirken oder die Bioverfügbarkeit und Toxizität von Substanzen beeinflussen oder selbst toxisch wirken. Besonders in der Nanotechnologie, einem Zukunftsmarkt von geschätzten mehreren hundert Milliarden US-Dollar, ist mit einer weit verbreiteten Emission speziell entwickelter Nanopartikel in die Umwelt zu rechnen. Über das Verhalten dieser Stoffe ist bis zum jetzigen Zeitpunkt kaum etwas bekannt. Jedoch ist schon jetzt ersichtlich, dass diese Stoffe aufgrund ihrer Größe und/oder großen spezifischen Oberfläche andere Eigenschaften haben als das Ausgangsmaterial und dass einige dieser Partikel die Haut, Zellmembranen und die Blut-Hirn Schranke durchdringen könnten. Die zukünftige Forschung im diesen Bereich wird sich hauptsächlich drei Themen widmen: Charakterisierung von Nanophasen, Umweltprozesse auf der Nanoskala und das Umweltverhalten künstlicher hergestellter Nanopartikel.

Zur Person

Thilo Hofmann, Leiter der Arbeitsgruppe für Umweltgeowissenschaften an der Universität Wien

Univ.-Prof. Dr. habil. Thilo Hofmann ist seit dem 1.2.2005 Umweltgeowissenschafter an der Universität Wien und leitet dort die gleichnamige Arbeitsgruppe am Department für Umweltgeowissenschaften. 1989-1991 Studium der Geologie an der Justus-Liebig-Universität Gießen und an der Freien Universität Berlin. Berufspraktikum in Kolumbien. 1992-1994 Studium an der Technischen Universität Berlin. 1995 Diplomarbeit in Brasilien, Abschluss des Hauptstudiums als Diplom-Geologe. 1996-1999 Wissenschaftlicher Mitarbeiter im EU-Verbundforschungsprojekt "Artificial Recharge of Groundwater" am Institut für Wasserforschung GmbH, Schwerte sowie der Universität Bremen. 1998 Promotion an der Universität Bremen. 1999 Hochschulassistent (C1) an der Universität Mainz. 2002 Gastprofessur an der Stanford University, Kalifornien, Habilitation. 2003-2005 Hochschuldozent (C2) an der Universität Mainz, Leitung der Arbeitsgruppe Hydrogeologie. 2006-2011 Vorstand des Departments für Umweltgeowissenschaften (Wien). 2006-2012 Vizedekan. Seit dem 1. Oktober 2012 ist Hofmann Dekan der Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie der Universität Wien. Er arbeitet auf den Gebieten des Verhaltens von Schadstoffen im Wasser und Boden, zur Hydrogeologie und Grundwassersanierung, Nanogeowissenschaften und Auswirkungen der Nanotechnologie auf die aquatische Umwelt.

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